Эксперимент по наблюдению за ростом лука. Отличие эксперимента от наблюдения Опыте по наблюдению

Эксперимент, в котором эффективно устранялась помеха, ставился по схеме локации на просвет. Эксперимент проводился на одном из живописнейших озер Владимирской области - озере Санхар. Размеры озера и его глубина позволяли иметь акустическую трассу длиной порядка 300 м при глубине водоема около 20 м. Подробнее о том, что представляла собою трасса, каковы ее акустические характеристики и какое применялось оборудование, сказано в работах .

В акустику можно перенести оптический метод темного поля . Для этого нужны акустические антенны большого размера - так называемые фокусируемые

антенны . На низких частотах, на которых возможно исследование океанических неоднородностей, фокусируемая антенна представляет собою гигантское, "циклопическое" сооружение. Несмотря на гарантированный и выверенный в оптике успех такого сооружения, строительство таких антенн, судя по литературе, нигде не планируется.

Выше уже описывался акустический метод фильтрации сильного узкополосного сигнала, названного нами методом темного поля, поскольку он, в принципе, позволяет решить те же задачи. С его помощью можно затемнить поле мощного достаточно узкополосного источника и наблюдать малые возмущения среды на фоне сигнала от этого источника . Для реализации этого метода достаточно малой антенны, фокусируемая антенна больших размеров не требуется. Размер антенны должен обеспечивать требуемое угловое разрешение наблюдаемых неоднородностей. Однако этот метод эффективно работает, когда существуют лишь большие объемные неоднородности, создающие малоугловые пространственные возмущения поля. Большую роль в условиях мелкого моря играет рассеяние волн взволнованной поверхностью и неровностями дна моря. Такие структуры рассеивают падающее излучение в широком секторе углов.

Задача о рассеянии акустических волн в мелком море поверхностью и дном моря имеет наглядную оптическую аналогию. Она заключается в явлении синего цвета неба, не позволяющего нам видеть звезды днем. Флуктуации молекул воздуха рассеивают свет под такими же широкими углами, как и поверхность моря. В космосе, где рассеивателей почти нет, звезды видны и днем, так как наш зрительный аппарат в состоянии хорошо отфильтровать прямой солнечный свет. Днем же у поверхности земли это сделать не удается.

По той же причине в условиях мелкого моря становится почти бесполезным тот метод темного поля, который был изложен выше.

Здесь идет речь о модификации метода фильтрации сильного узкополосного сигнала. Описываемый модифицированный метод темного поля основан на использовании узкого спектра помехи во временной области. Такой фильтр может быть реализован различными методами. Мы остановились на использовании вычитания значений сигналов в точках отсчета его во времени, расположенных через некоторое дискретное расстояние Конкретно использовались два фильтра, в одном из которых составило минимальное значение единицу, а в другом случае был использован фильтр с единиц. Эти фильтры позволили получить разные результаты при практически одинаковой помехозащищенности. Фильтр с малым временем дал возможность рассмотреть рассеивающую поверхность, на которой имеются точечные рассеиватели, а фильтр с большим временем позволил рассмотреть большую неоднородность. В этом разделе ограничимся случаем точечного рассеивателя, а наблюдение протяженного рассеивателя рассмотрим в следующей главе.

Описанный метод в натурных условиях интенсивной реверберации позволил получить затемнение поля флуктуирующего прямого сигнала и сопутствующих ему помех по отношению к прямому полю излучателя, освещающего антенну, на 60 дБ. Заметим, что лучшие из существующих адаптивные методы оказались способными затемнить акустическое поле излучателя в условиях интенсивной реверберации не более чем на 30 дБ .

Суть метода покажем на конкретном примере. В акустический волновод поместим мощный излучатель монохроматического сигнала для освещения неоднородностей. Для наблюдения неоднородностей на некотором расстоянии от излучателя разместим акустическую антенну. Пусть это будет линейная горизонтальная антенна, состоящая из ряда эквидистантно расположенных приемных элементов (антенная

Рис. 2.10. Схема опыта: 1 - излучатель, 2-2 - линия расположения приемных элементов антенной решетки, 3-3 - линия перемещения рассеивателя.

решетка). У монохроматического колебания есть всего два параметра, которые могут изменяться от точки к точке и во времени, - это амплитуда и фаза. Оба параметра можно записать в виде одного комплексного числа, называемого комплексной амплитудой. Его модуль равен амплитуде колебания в акустическом поле, а аргумент - фазе . Эксперимент проводился в два этапа. На первом велась запись значений комплексных амплитуд сигналов во всех 64 элементах акустической антенной решетки в течение некоторого интервала времени. На втором этапе производилась обработка зафиксированных на первом этапе акустических сигналов.

Первый этап включал следующие операции. Во-первых, сигналы, принимаемые каждым гидрофоном, фильтровались в полосе ±3 Гц от каждой дискретной частоты, идущей от излучателя. Во-вторых, профильтрованные сигналы смешивались с сигналом излучаемой частоты, образуя при этом сигналы разностной частоты в двух квадратурных каналах . В одном квадратурном канале сигнал представлял собою а в другом где А - амплитуда принимаемого сигнала, а - его фаза. Сигналы с обоих квадратурных каналов фиксировались в цифровом виде с помощью компьютера. Такая предварительная обработка сигналов позволяла получать запись сигналов с антенны в виде, эквивалентном комплексным амплитудам, рассматриваемым в , - запись полного поля или голограмму принимаемого акустического сигнала, позволяющую при последующей обработке получать те же результаты, что и при соответствующей обработке непосредственно принимаемого акустического поля.

Остановимся на зависимости сигналов от времени, так как именно она используется при фильтрации. Как уже было отмечено выше, излучался чисто монохроматический сигнал. Это не означает, что точно такой же сигнал будет принят приемным элементом антенны. Такой рассеиватель, каким является поверхность моря, не является неподвижным. Движение рассеивателя приводит к смешению частоты принимаемого сигнала в соответствии с эффектом Доплера. Так как сигнал принимается от множества рассеивателей, находящихся под разными углами к трассе распространения сигнала и по-разному двигающихся, то временная частота принимаемого сигнала будет размыта. Мы сохраняли эту информацию путем выбора частоты квантования записываемых сигналов. Чтобы при этом избежать неоднозначности при приеме колебаний, проводилась фильтрация с шириной полосы в 3 Гц (при несущей частоте порядка 3 кГц).

В качестве простейшей модели выберем наблюдение одиночного рассеивателя, освещаемого плоской волной, движущегося по прямолинейной траектории, как это показано на рис. 2.10. Объект, подлежащий наблюдению, являвшийся рассеивателем, двигался в направлении поперек трассы, что приводило к смещению частоты. Найдем это смещение частоты исходя из параметров движения объекта. (Эта модель позволит нам не только показать действие преобразования, но и получить калибровочный сигнал, необходимый для оценки величины наблюдаемых неоднородностей). Пусть между излучателем 1 и приемной антенной 2-2 по трассе 3-3 двигается рассеиватель 4 с постоянной скоростью (см. рис. 2.10). Найдем

комплексную амплитуду рассеянного поля, излученного движущимся рассеивателем на каждом элементе приемной антенны. Введем следующие геометрические параметры:

Расстояние от рассеивателя до точки приема где - координата приемного элемента антенны (см. рис. 2.10);

Длину пути пройденного рассеивателем при его движении вдоль траектории 3-3;

Дистанцию от траектории рассеивателя до антенны (см. рис. 2.10).

В принятых обозначениях и предположениях получим

где - время.

Фаза сигнала, поступающего от рассеивателя в каждую точку приема, в результате изменения расстояния будет зависеть от времени как

где X - длина волны.

Предположим, что излучатель расположен так далеко от антенны, что создаваемое им прямое поле имеет разность фаз между соседними элементами антенной решетки, не зависящую от номера антенного элемента (следствие того, что антенна не фокусируемая). Пусть эта фаза не зависит от времени (излучатель и антенна неподвижны) и для определенности равна нулю. Искомую комплексную амплитуду мы получим (с точностью до постоянной фазы и постоянного амплитудного множителя, не влияющих на алгоритм обработки) с помощью следующей формулы:

где - прямое поле излучателя на антенне.

Выражение (2.3.3) представляет собою математическую модель сигнала, приходящего от точечного объекта рассеяния. Она может быть использована не только для пояснения ситуации, но и для математического моделирования объекта рассеяния. Из полученного выражения следует возможность фильтрации рассеянного сигнала, так как его спектр вследствие эффекта Доплера отличается от спектра прямого сигнала. Есть ли такая возможность в условиях натурного опыта и какова она, может дать ответ только эксперимент, в котором в качестве метода обработки применена фильтрация сигналов во времени.

Перейдем к обработке сигнала. На элементе антенны, имеющем номер к в дискретный момент времени комплексная амплитуда будет Алгоритм фильтрации поля включает выполнение следующих действий с комплексными амплитудами поля, принимаемыми отдельными приемными элементами антенной решетки:

где - целое число, являющееся параметром фильтра.

Действие преобразования (2.3.4) сначала покажем на чистой математической модели (2.3.3), которая позволит нам не только показать действие преобразования (23.4), но и получить калибровочный сигнал, необходимый для оценки величины наблюдаемых движущихся рассеивателей.

На рис. 2.11, а показан результат наблюдения движущегося рассеивателя с помощью антенны без использования временной фильтрации. В данном случае это удалось, так как никаких посторонних рассеивателей или никакой реверберации нет. Обработка сигнала состоит в следующем. Функция определяемая (2.3.3), подвергается спектральному анализу только по координате х (вдоль линии расположения антенны), оставаясь при этом функцией времени На рис. 2.11, а по горизонтали отложен пространственный спектр функции по координате Связь между значениями пространственной частоты являющейся аргументом графика, и углом по которому сканируется зона наблюдения антенной решеткой, следующая :

где - максимальное значение пространственной частоты, равное половине общего числа точек спектрального разложения Фурье; - расстояние между приемными элементами антенной решетки. При моделировании предполагалось, что Интервал пространственных частот, показанный на графиках, простирается в пределах

Рис. 2.11. Движение рассеивателя на плоскости "время и пространственная частота" с применением темного поля

На рис. 2.11, а в виде вертикальной линии в центре (при виден излучатель. Имитируемый рассеиватель отображен наклонной линией, так как согласно (2.3.3) направление на рассеиватель изменяется примерно пропорционально времени.

На рис. показан результат точно такой же обработки сигнала с применением фильтра с параметром но только не для сигнала а для сигнала прошедшего дополнительную обработку по формуле (2.3.4). В результате сигнал излучателя не виден (поле затемнено), сигнал рассеивателя наблюдается под теми же углами, что и на рисунке а с интенсивностью, зависящей от величины его доплеровского смещения частоты в соответствующий момент времени и частотной характеристики фильтра.

Предлагаемый нами алгоритм обработки сигнала содержит нелинейную операцию - логарифмирование. Это дань кепстральному анализу. Логарифмирование

единственное математическое преобразование, позволяющее свести мультипликативную помеху к аддитивной и в таком виде фильтровать ее. Здесь это обстоятельство не имеет особого значения, так как в (2.3.4) логарифм очень хорошо линеаризуется.

На рис. 2.12 показана математическая программа, приводящая к получению рис. 2.11. Верхняя строчка программы представляет массив данных и диапазонные переменные. Переменная к - пространственная. Единица составляет половину длины волны. Переменная - время. Единица равна одной секунде. Далее следует программа, моделирующая движение точечного рассеивателя. Расстояние указано в метрах. Длина волны - тоже в метрах. Для разности хода лучей определена специальная функция, в которой параметру и можно придавать любое значение, зависящее от пространства и времени. По сути дела, выражает теорему Пифагора, в которой один из катетов - это и, а другой катет - это Скорость - это скорость (в метрах в секунду) перемещения рассеивателя вдоль его траектории. На следующей строчке программы определено - изменение в пространстве (вдоль антенны) и во времени разности хода лучей, прямого и рассеянного. Определен временной интервал в точках отсчета по времени.

Следом идет выражение для комплексной амплитуды волнового поля, принимаемого каждым элементом антенной решетки во времени. (Это формула (2.3.3)). Далее программа разветвляется на две части: та, что слева, приводит к рис. 2.11, а, та, что справа, ведет к рис. 2.11, б. Обе ветви программы почти совпадают, кроме небольших, но очень существенных отличий. Общее в этих программах - их финальная часть - это представление результата в виде трехмерной функции в переменных угол - время - амплитуда сигнала. Отличия состоят в алгоритмах фильтрации. Слева фильтрация только пространственная. Такой фильтр позволяет выделить сигнал рассеивателя только при отсутствии флуктуаций прямого сигнала. Слева показан фильтр, построенный по формуле (2.3.4), включающий не только пространственную, но и временную фильтрацию.

Описываемый эксперимент имел целью выяснение возможностей наблюдения природных факторов, под действием которых рассеивается акустическое поле. Сначала опишем ту часть эксперимента, в которой в поле зрения антенны не перемещались никакие предметы, а работали только излучатель и приемная антенна. Поэтому для определения силы цели рассеянных сигналов, к сигналу, считываемому с антенны, при его обработке добавлялся сигнал, имитирующий поле точечного рассеивателя, перемещающегося поперек трассы распространения акустического сигнала. Имитация сигнала движущегося рассеивателя производилась путем добавления к сигналу, принимаемому антенной, его же (при этом пренебрегаем рассеянным полем, так как оно мало по сравнению с прямым полем излучателя, и считаем, что прибавляем только прямое поле) с внесенными в него следующими изменениями. Сигнал был ослаблен на известное число децибел (например, 40 дБ) и умножен на функцию вида (2.3.3) без постоянной составляющей. Тем самым в сигнал, в котором доминирует прямое поле излучателя, вводится доплеровское смещение частоты, пропорциональное пространственной частоте (угловому смещению). Благодаря этой операции прямое поле излучателя в добавленном ослабленном сигнале, получив доплеровское и угловое смещения, играет роль движущегося рассеивателя. Его уровень по отношению к излучателю известен. Использованный нами метод моделирования движущегося рассеивателя позволяет получить его математическую модель, обладающую известными параметрами и таким уровнем флуктуаций уровня и фазы, которым обладает прямое поле излучателя в условиях проводимого эксперимента.

(кликните для просмотра скана)

Конкретизируем задачу эксперимента посредством привлечения рис. 2.13. На нем показан временной спектр акустических сигналов, принятых отдельными гидрофонами антенны. Эти спектры имеют вид, очень похожий на спектры, приведенные в монографии . На спектре виден максимум при нулевой частоте. На эту частоту было смещено поле излучателя. Частоты выше частоты излучателя на графике положительные, а отрицательные частоты - это те, которые лежат ниже частоты излучателя. В спектре видны еще максимумы на частотах около ± 2 Гц. Такие максимумы спектра акустических сигналов, распространяющихся в море, объясняются рассеянием волн при поверхностном волнении, модулирующем сигнал и тем самым смещающем его спектр . В книге рассматривается метод диагностики состояния морской поверхности на основе таких спектров. Конкретная задача настоящего эксперимента состояла в том, чтобы попытаться с помощью антенны увидеть те поверхностные волны, которые модулируют сигнал излучателя.

Рис. 2.13. Временной спектр сигнала в элементах антенной решетки, усредненный по всем элементам.

На рис. 2.14 показаны результаты обработки сигнала, принятого антенной решеткой. Чтобы на рисунках было меньше черного, показаны негативы, в которых черное поле соответствует максимальному сигналу, а белое - минимальному. Обработка заключалась в получении пространственных спектров вдоль линии расположения приемных гидрофонов антенны. Сигналы, показанные на рис. 2.14 (а-г), обрабатывались дополнительно. Осуществлялось затемнение поля антенны по формуле (2 3 4) и дополнительная фильтрация сигналов во времени.

На рис. 2.14, а сигнал, принятый антенной, обрабатывался во всей полосе временных частот, показанной на рис. 2.13. На рис. 2.14, б показан результат обработки профильтрованного сигнала с исключением обеих боковых частот, отстоящих от несущей частоты по абсолютной величине более чем на 1 Гц, тем самым были существенно подавлены сигналы, вызванные рассеянием на ветровом волнении. Таким образом, сравнивая рисунки а и б, можно видеть вклад рассеяния поверхностью водоема в совокупный рассеянный сигнал. Например, на рисунке а излучатель виден в виде интенсивной линии, а на рисунке б он едва заметен, т. е. антенна видит отражение излучателя на поверхности водоема так, как мы привыкли видеть "лунную" или "солнечную" дорожку на взволнованной водной поверхности. На рис. 2.14, а видно угловое распределение уровня сигнала, рассеиваемого поверхностью. Волны, рассеиваемые взволнованной поверхностью водоема, уверенно наблюдаются. Видно, что при наблюдении с затененным полем рассеяние поверхностью составляет заметную долю рассеянного сигнала. Это ясно видно по различию заметности наклонной линии, являющейся результатом добавления сигнала, имитирующего рассеиватель. На

рисунках а и б заметность имитированного сигнала существенно различается, хотя его уровень на этих двух рисунках одинаков.

Рис. 2.14. (см. скан) Сигнал в зависимости от угла сканирования и времени в полосе частот от -3 до +3 Гц (а), в полосе частот от -0,8 до +0,8 Гц (б), от -0,8 до +3 Гц (в), от -3 до +0,8 Гц (г) и без темного поля (д).

На рис. 2.14, в и 2.14, г приведены результаты, полученные при исключении лишь одной из боковых частот - нижней (в) или верхней (г). На этих рисунках видны волны, рассеянные поверхностью либо только с увеличением частоты Доплера, либо только с ее уменьшением. Анализ пространственного распределения рассеяния акустического сигнала на ветровом волнении с учетом знака эффекта Доплера в этом опыте был проведен впервые.

На рис. 2.14, д показан результат обработки того же сигнала, обработанного без использования формулы (2.3.4), создающей темное поле. В сигнале, показанном на рис. 2.14, д, тоже имитировался рассеиватель, имеющий по отношению к излучателю на 10 дБ более высокий уровень. Однако его еще не видно. Чтобы сделать имитируемый сигнал заметным, надо увеличить его уровень еще на 10 дБ. Фильтрация доплеровских составляющих также не оказывает влияния на вид рисунка д, т. е. на фоне реверберации локализовать очаги рассеяния сигнала на ветровом волнении без затемнения поля антенны не удается.

Рисунки 2.14 носят качественный характер, на них отчетливо видны временные изменения сигналов. По таким яркостным картинкам трудно судить о количественной стороне показанных результатов. Количественная сторона явления показана с помощью рис. 2.15, на котором изображены значения модуля отклика антенны, показанные на рис. 2.14, относящиеся к одному моменту времени. Как видно из рис. 2.15, метод темного поля без дополнительной фильтрации позволяет достичь эффективности порядка 60 дБ, а последующая временная фильтрация дает еще около 10 дБ дополнительно. Это весьма существенно!

Рис. 2.15. Акустическое темное поле (натурный эксперимент на озере Санхар).

На рис. 2.15 виден отклик антенны на сигнал, имитирующий рассеиватель, - это максимальный отклик на жирной линии (временной срез рис. 2.14, б) под углом порядка -40 градусов. Его уровень составляет примерно -57 дБ по отношению к сигналу излучателя, в то время как он задавался -40 дБ относительно этого уровня. Разница

объясняется тем, что моделируемый сигнал слишком медленно смещается, вследствие чего его доплеровское смещение даже при максимальном угле существенно ослабляется фильтром, затемняющим поле зрения антенны. По временному сечению рис. 2.14, д, показанному на рис. 2.15, видно, что реверберация в озере оказывает более существенное влияние на форму отклика антенны, чем при аналогичных экспериментах в море . Это объясняется тем, что в море более ровное дно и совсем нет отражений от берегов, которые отчетливо видны на рис. 2.15 под углами, близкими к 90 градусам.

Эффективность фильтрации может быть показана также с помощью временных спектров сигналов с антенны, приведенных на рис. 2.16. На рис. 2.16, а приведен временной спектр сигнала на одной пространственной частоте без фильтрации. Пространственная частота (угол наблюдения) выбрана так, чтобы в нее попал имитируемый сигнал на своей максимальной доплеровской частоте. Его уровень на 20 дБ ниже уровня сигнала излучателя. На рисунке уровень этого сигнала ниже уровня излучателя на 30 дБ, хотя сигнал излучателя на этой пространственной частоте (этом значении угла) далеко не максимален. Это различие уровней связано с тем, что имитируемый сигнал присутствует на этой пространственной частоте лишь в немногих реализациях, а сигнал излучателя накапливается во всех 2048 временных реализациях когерентно, возрастая на 66 дБ.

На рис. 2.16, б показан спектр на той же пространственной частоте, но при использовании фильтрации. Здесь сигнал излучателя затемнен так, что и 66 дБ ему не помогают. Сравнение рисунков а и б позволяет судить об эффективности использования предлагаемого метода фильтрации в натурных условиях.

Рис. 2.16. Временной спектр сигнала в элементах антенной решетки на одной пространственной частоте (а) и в темном поле (б).

Результаты эксперимента показывают, что с помощью предлагаемого метода акустического темного поля возможно наблюдение за структурой водной поверхности и ее изменениями. Можно локализовать области интенсивного поверхностного волнения, узнать скорости волн, направление ветра и другие параметры, а можно, убрав доплеровские частоты, связанные с поверхностным волнением, тем самым отфильтровать его. В этом случае появляется возможность следить за внутренними движущимися неоднородностями, течениями, видеть их так, как это позволяет применяемая антенная система. Появляется возможность поставить опыт в соответствии с расчетами рассеяния от взволнованной поверхности океана, выполненными, например, в работах . В связи с предлагаемой методикой измерения актуальными могут стать расчеты не только обратного рассеяния от объектов, представляющих интерес, но и прямого рассеяния вперед, которое может быть существенно больше.

Внимание! Администрация сайта сайт не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

• Участник: Ворошнин Данил Александрович
• Руководитель: Базыльникова Марина Александровна

Введение

Мы живем в мире разнообразных световых явлений – радуга, полярные сияния, голубое небо. Тем, кто не знаком с причинами их возникновения, эти световые явления кажутся необыкновенными и загадочными.

В повседневной жизни мы встречаемся со многими световыми явлениями, но обычно не задумываемся над ними – насколько они привычны для нас, а вот объяснить их часто затрудняемся. Например, чайная ложка, опущенная в стакан с водой, кажется нам надломленной или сломанной, в зависимости от того, с какой стороны мы смотрим на ложку. Мы видим окружающие нас предметы многоцветными при освещении Солнцем или яркой лампой, но с наступлением сумерек или при ослаблении света цветность предметов блекнет.

Все эти явления связаны с понятием «свет» . В обыденной речи «свет» мы используем в самых разных значениях: ученье – свет, а неученье – тьма, свет мой, солнышко, скажи … В физике термин «свет» имеет гораздо более определенное значение. Опытным путем было установлено, что свет нагревает тела, на которое падает. Следовательно, он передает этим телам энергию. Мы также знаем, что одним из видов теплопередачи является излучение, следовательно, Свет – это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом и вызывающее зрительные ощущения. Свет обладает множественными свойствами, одним таким свойством света является – дисперсия . Мы всегда сталкиваемся с этим явлением в жизни, но не всегда замечаем этого. Но если быть внимательным, то явление дисперсии всегда нас окружает. Одно из таких явлений это обычная радуга. На первый взгляд радуга это что-то простое, на самом деле при возникновении радуги происходят сложные физические процессы. Поэтому мы выбрали тему дисперсия света для того, чтобы глубже понять физические процессы и явления, происходящие в природе. Это очень интересная тема и мы постараемся в своем проекте представить все моменты, происходящие в истории развития науки о свете и показать опыты по демонстрации дисперсии света, а так же свою экспериментальную установку, разработанную специально для наблюдения дисперсии света, которая впоследствии может быть использована на уроках физики при изучении данной темы.

Цель проекта – изучение понятия «Дисперсия света» и изготовление экспериментальной установки «Цветовой диск Ньютона».

Задачи:

1. Изучить историю открытия И. Ньютоном явления Дисперсия света.
2. Рассмотреть спектральный состав света.
3. Дать понятие о дисперсии света.
4. Подготовить эксперименты по наблюдению дисперсии света.
5. Рассмотреть природное явление радуга.
6. Изготовить экспериментальную установку «Цветовой диск Ньютона».

I. Теоритическая часть

1.1. Открытие Исаака Ньютона

В 1665–1667 годах Исаак Ньютон – английский физик и математик занимаясь усовершенствованием телескопов, обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено, данное наблюдение его очень заинтересовало, и он решил разгадать природу возникновения цветных полос. В это время в Англии свирепствовала эпидемия чумы, и молодой Исаак Ньютон решил укрыться от неё в своём родном Вулсторпе. Перед отъездом в деревню он приобрёл стеклянные призмы, чтобы «произвести опыты со знаменитыми явлениями цветов». Исследуя природу цветов, Ньютон придумал и выполнил целый комплекс различных оптических экспериментов. Некоторые из них без существенных изменений в методике, используются в физических лабораториях до сих пор. Главный опыт был традиционным. Проделав небольшое отверстие в ставне окна затемнённой комнаты, Ньютон поставил на пути пучка лучей, проходивших через это отверстие, стеклянную призму. На противоположной стене он получил изображение в виде полоски чередующихся цветов (рис. 1).

1.2. Спектральный состав света

Полученную таким образом цветную полоску солнечного света Ньютон разделил на семь цветов радуги – красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый (рис. 2).

Спектр – (от латинского «spectrum» – видение) непрерывный ряд цветных полос, получается путем разложения луча белого света на составные части (рис. 3).

Если же рассматривать спектр без подобного предубеждения, то полоса спектра распадается на три главные части – красную, желто-зелёную и сине-фиолетовую. Остальные цвета занимают сравнительно узкие области между этими основными.

Все цвета спектра содержатся в самом солнечном свете, а стеклянная призма лишь разделяет их, так как различные цвета по-разному преломляются стеклом. Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, слабее всего – красные.

1.3. Дисперсия света

Проходя через призму, луч солнечного света не только преломляется, но и разлагается на различные цвета.

Дисперсией называется явление разложения света на цвета при прохождении света через вещество.

Прежде чем разобраться в сути этого явления, необходимо рассмотреть преломлении световых волн. Изменение направления распространения волны при прохождении из одной среды в другую называется преломлением.

Положим на дно пустого не прозрачного стакана монету или другой небольшой предмет. Подвинем стакан так, чтобы центр монеты, край стакана и глаз находились на одной прямой. Не меняя положения головы, будем наливать в стакан воду. По мере повышения уровня воды дно стакана с монетой как бы приподнимается. Монета, которая ранее была видна лишь частично, теперь будет видна полностью. Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред - преломлением света (рис. 4).

Закон преломления света : падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.

Если луч переходит в какую-либо среду из вакуума, то

sinα	= n ,
sinβ

где n – абсолютный показатель преломления второй среды.

Абсолютный показатель преломления – физическая величина, равная отношению синуса угла падения луча к синусу угла преломления при переходе луча из вакуума в эту среду.

Чем больше у вещества показатель преломления, тем более оптически плотным считается это вещество. Например, рубин – среда оптически более плотная, чем лёд.

Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоростях распространения света в той и другой среде. Это было доказано французским математиком Пьером Ферма и голландским физиком Христианом Гюйгенсом. Они доказали, что

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах:

sinα	= n 21 =	V 1
sinβ		V 2

Скорость света в любом веществе меньше скорости света в вакууме. Причиной уменьшения скорости света в среде является взаимодействие световой волны с атомами и молекулами вещества. Чем сильнее взаимодействие, тем больше оптическая плотность среды, и тем меньше скорость света. Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.

Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т. е. от температуры вещества его плотности. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого – меньше, чем для фиолетового.

Таким образом,

Дисперсия света – зависимость показателя преломления и скорости света от частоты световой волны.

Абсолютный показатель преломления стекла n , из которого изготовлена призма, зависит не только от свойств стекла, но и от частоты (от цвета) проходящего через него света. В опыте Ньютона при разложении в спектр пучка белого света, лучи фиолетового цвета, имеющие большую частоту, чем красные, преломились сильнее красных, поэтому на экране можно наблюдать цветную полосу – спектр (рис. 5).

1.4. Радуга

Дисперсией света объясняются многие явления природы, например Радуга. В результате преломления солнечных лучей в каплях воды во время дождя на небе появляется разноцветная дуга – радуга (рис. 6).

Радуга - это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя.

Разноцветная дуга появляется оттого, что луч света преломляется в капельках воды, а затем, возвращаясь к наблюдателю под углом в 42 градуса, расщепляется на составные части от красного до фиолетового цвета (рис. 7).

Прежде всего, заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область - в красный.

Яркость оттенков и ширина радуги зависят от размера капель дождя. Чем крупнее капли, тем уже и ярче радуга, тем в ней больше красного насыщенного цвета. Если идёт мелкий дождик, то радуга получается широкая, но с блёклыми оранжевыми и жёлтыми краями.

Чаще всего видим радугу в форме дуги, но дуга – это лишь часть радуги. Радуга имеет форму окружности, но мы наблюдаем лишь половину дуги, потому что её центр находится на одной прямой с нашими глазами и Солнцем (рис. 8).

Целиком радугу можно увидеть лишь на большой высоте, с борта самолёта или с высокой горы (рис. 9).

II. Практическая часть

2.1. Демонстрация экспериментов по наблюдению дисперсии света

Изучив историю открытия дисперсии света, и процесс образования спектра, мы решили опытным путем пронаблюдать дисперсию света. Для этого подготовили и провели видео эксперименты, которые можно использовать на уроках физики при изучении темы Дисперсия света.

Эксперимент №1. Получение радужного спектра на мыльных пленках

Для проведения эксперимента понадобится: ёмкость с мыльным раствором, проволочная рамка.

Ход эксперимента: наливаем мыльный раствор в ёмкость, опускаем рамку в раствор, образуется мыльная плёнка. На плёнке появляется радужные полосы.

Эксперимент №2. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении сквозь стеклянную призму

Для проведения эксперимента понадобится: призма, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги).

Ход эксперимента: устанавливаем призму на экспериментальном столике. С одной стороны столика устанавливаем экран. Свет направляем на призму и на экране наблюдаем радужные полосы.

Эксперимент № 3. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении через воду

Для проведения эксперимента понадобится: зеркало, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги), ёмкость с водой.

Ход эксперимента: в ёмкость наливаем воду и кладем на дно зеркало. Направляем на зеркало свет, чтобы отраженный свет попадал на экран.

1.2. Цветовой диск Ньютона

Ньютон провел обычный опыт со стеклянной призмой и заметил разложение света на спектр. Направив луч дневного света на призму, он увидел на экране различные цвета радуги. После увиденного он выделил из них семь основных цветов. Это были такие цвета как: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (каждый охотник желает знать где сидит фазан). Ньютон выбрал лишь семь цветов по той причине, что были наиболее яркие, он также говорил, что в музыке всего семь нот, но сочетание их, различные вариации позволяют получить совершенно различные мелодии. Проведя обратный опыт, т.е. полученный спектр он направил на грань другой призмы и в результате опыта Ньютон снова получил белый свет (рис.10).

На основе этих простых опытов Ньютону пришла в голову мысль о создании круга состоящего из семи секторов и закрашенных определенными цветами в результате вращения, которого произойдет их смешение и мы получим белую раскраску этого круга. В последствии этот круг стали называть Цветной диск Ньютона (рис. 11).

Попробуем повторить опыт Ньютона. Для этого создадим экспериментальную установку, которая состоит из компьютерного кулера и прикрепленного к нему цветового диска, также блока питания (рис. 12).

Кулер создает большой проток воздуха, и служит для того что бы привести во вращение цветной диск. Так как наша установка подключается в сеть с напряжением 220 В, а кулер рассчитан на 12 В, поэтому к кулеру подключили блок питания для понижения напряжения с 220 В на 12 В. Для безопасности установка изолирована в пластмассовом боксе.

В результате при включении установки в розетку сети питания цветной круг, закрепленный на кулере, начнет вращаться, и мы увидим желтовато-белую окраску круга (рис. 13).

Окраска круга при вращении желтовато-белая по двум причинам:

1. Скорость вращения круга очень низкая по сравнению со скоростью света;
2. Круг окрашен с резкими цветовыми переходами, если сравнивать со спектром разложения белого света.

Таким образом, нам удалось повторить эксперименты Ньютона по разделению белого света на спектр и наоборот получение белого света из спектра.

Заключение

Окружающий нас мир играет красками: нас радует и волнует голубизна неба, зелень травы и деревьев, красное зарево заката, семицветная дуга радуги. В своем проекте мы попытались ответить на вопрос - как можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. В целом поставленная цель об изучении такого явления как дисперсия света в итоге достигнута. Для того чтобы глубже понять такое свойство света как дисперсия, была изучена дополнительная литература по световым явлениям, были проведены эксперименты по наблюдению явления, была изготовлена установка для вращения цветового круга Ньютона с некоторой скоростью.

В результате проведенных опытов и экспериментов нами были сделаны следующие выводы:

1. Дисперсия – явление разложения белого света в спектр.
2. Белый цвет имеет сложную структуру, состоящий из нескольких цветов.
3. При падении света на границу раздела двух прозрачных сред световые лучи различной цветности преломляются по разному (наиболее сильно-фиолетовые лучи, менее других- красные).
4. Призма не изменяет цвет, а лишь разлагает его на составные части.

Таким образом, посредством теоретического изучения данной темы и ее практического подтверждения и была достигнута основная цель проекта.

За это задание вы можете получить 2 балла на ЕГЭ в 2020 году

Задание 21 ЕГЭ по физике – одновременно и сложное, и простое для учащихся. Сложным оно является, потому что тема его – одна из самых трудных для усвоения: «Квантовая физика». А простым его можно назвать, потому что этот учебный материал изучается в старших классах, потому контроль знания производится практически «по горячим следам». Также в билет входят задачи по темам «Ядерная физика» и «Волновая оптика» .

Разработчики тестов предлагают два типа задания № 21 ЕГЭ по физике – изменение физических величин в процессах и установление соответствия. В первом случае учащемуся будет предложено определить – как поведет себя та или иная величина – уменьшится, увеличится, не изменится. Ответ представляет собой некий буквенно-цифровой код, заносимый учеником в таблицу. Если в вопросе будет необходимо установить соответствие между физическими явлениями и приборами, в которых используются или наблюдаются эти явления, между физическими понятиями и их определениями, между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать, ученик также составляет мини-таблицу ответов.

Характерная особенность эксперимента как специального эмпирического метода исследования заключается в том, что он обеспечивает возможность активного практического воздействия на изучаемые явления и процессы. Исследователь здесь не ограничивается пассивным наблюдением явлений, а сознательно вмешивается в естественный ход их протекания. Он может осуществить это, либо изолировав исследуемые явления от некоторых внешних факторов, либо изменив пределенные условия, в которых они происходят. И в том и другом случае результаты испытаний точно фиксируются и контролируются.

Таким образом, дополнение простого наблюдения активным воздействием на изучаемый процесс, превращает эксперимент в весьма эффективный метод эмпирического исследования. Этому способствует прежде всего более тесная связь эксперимента с теорией. «Экспериментирование, - пишут И. Пригожин и И. Стенгерс, - означает не только достоверное наблюдение подлинных фактов, не только поиск эмпирических зависимостей между явлениями, но и предполагает систематическое взаимодействие между теоретическими понятиями и наблюдением» 1 .

Идея эксперимента, план его проведения и интерпретация результатов в гораздо большей степени зависят от теории, чем поиск и интерпретация данных наблюдения.

В настоящее время экспериментальный метод используется не только в тех опытных науках, которые по традиции относят к точному естествознанию (механика, физика, химия и др.), но и в науках, изучающих живую природу, особенно в тех из них, которые применяют современные физические и химические методы исследования (генетика, молекулярная биология, физиология и др.).

В науке Нового времени экспериментальный метод впервые начал систематически применять, как мы уже знаем, Галилей, хотя отдельные попытки его использования можно обнаружить еще в античности и особенно в Средние века .

Галилей начал свои исследования с изучения наиболее простейших явлений природы - механического перемещения тел в пространстве с течением времени (падение тел, движение тел по наклонной плоскости и траекторий пушечных ядер). Несмотря на кажущуюся простоту этих явлений, он столкнулся с рядом трудностей как научного, так и мировоззренческого характера. Последние были связаны главным образом с традицией чисто натурфилософского, умозрительного подхода к изучению явлений природы, восходящей еще к античности. Так, в аристотелевской физике признавалось, что движение происходит только тогда, когда к телу прикладывается сила. Это положение считалось общепризнанным и в средневековой науке. Галилей впервые подверг его сомнению и высказал предположение, что тело будет находиться в покое или в равномерном и прямолинейном движении, пока на него не будут действовать внешние силы. Со времени Ньютона это утверждение формулируется как первый закон механики.

Примечательно, что для обоснования принципа инерции Галилеем впервые был использован мысленный эксперимент, который в дальнейшем нашел широкое применение в качестве эвристического средства исследования в разных отраслях современного естествознания. Суть его заключается в анализе последовательности реальных наблюдений и в переходе от них к некоторой предельной ситуации, в которой мысленно исключается действие определенных сил или факторов. Например, при наблюдении механического движения можно постепенно уменьшать действие на тело разнообразных сил - трения, сопротивления воздуха и т.п. - и убедиться в том, что путь проходимый телом, будет соответственно увеличиваться. В пределе можно исключить все подобные силы и придти к заключению, что тело в таких идеальных условиях будет неограниченно двигаться равномерно и прямолинейно или оставаться в покое.

Наибольшие достижения Галилея связаны, однако, с постановкой реальных экспериментов и математической обработкой их результатов. Выдающихся результатов он достиг при экспериментальном исследовании свободного падения тел. В своей замечательной книге «Беседы и математические доказательства...» Галилей подробно описывает, как пришел к своему открытию закона постоянства ускорения свободно падающих тел. Вначале он, как и его предшественники - Леонардо да Винчи, Бенедетти и др., полагал, что скорость падения тела пропорциональна пройденному пути. Однако впоследствии Галилей отказался от этого предположения, так как оно приводит к следствиям, которые не подтверждаются на опыте 1 . Поэтому он решил проверить другую гипотезу: скорость свободно падающего тела пропорциональна времени падения. Из нее вытекало следствие, что путь, пройденный телом, пропорционален половине квадрата времени падения, которое подтвердилось в специально построенном эксперименте. Поскольку в тот период существовали серьезные трудности с измерением времени, то Галилей решил замедлить процесс падения. Для этого он скатывал по наклонному желобу с хорошо отполированными стенками бронзовый шар. Измеряя время прохождения шаром различных отрезков пути, он смог убедиться в правильности своего предположения о постоянстве ускорения свободно падающих тел .

Своими громадными достижениями современная наука обязана именно эксперименту, поскольку с его помощью удалось органически связать мысль и опыт, теорию и практику. По сути дела, эксперимент представляет собой вопрос, обращенный к природе. Ученые убедились, что природа отвечает на правильно поставленные ими вопросы. Поэтому со времен Галилея эксперимент стал важнейшим средством диалога между человеком и природой, способом проникновения в глубокие ее тайны и средством открытия законов, которые управляют наблюдаемыми в эксперименте явлениями.

• Пригожий И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. - М., 1986. - С. 44.
• Некоторые известные историки науки, в том числе П. Дюгем, А. Кромби,Д. Рэнделл, утверждают, что возникновение экспериментальной науки произошлоеще в Средние века. Для подтверждения своего тезиса они ссылаются на то, чтотакие эксперименты проводились в XIII-XIV вв. в Париже, а в XVI в. в Падуе.
• Галилей Г. Избранные произведения: В 2 т. Т 1. - М.: Наука, 1964. - С. 241-242.
• См.: Липсон Г. Великие эксперименты в физике. - М., 1972. - С. 12.

Никто в мире не понимает квантовую механику - это главное, что нужно о ней знать. Да, многие физики научились пользоваться ее законами и даже предсказывать явления по квантовым расчетам. Но до сих пор непонятно, почему присутствие наблюдателя определяет судьбу системы и заставляет ее сделать выбор в пользу одного состояния. «Теории и практики» подобрали примеры экспериментов, на исход которых неминуемо влияет наблюдатель, и попытались разобраться, что квантовая механика собирается делать с таким вмешательством сознания в материальную реальность.

Кот Шредингера

Сегодня существует множество интерпретаций квантовой механики, самой популярной среди которых остается копенгагенская. Ее главные положения в 1920-х годах сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. А центральным термином копенгагенской интерпретации стала волновая функция - математическая функция, заключающая в себе информацию обо всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она одновременно пребывает.

По копенгагенской интерпретации, доподлинно определить состояние системы, выделить его среди остальных может только наблюдение (волновая функция только помогает математически рассчитать вероятность обнаружить систему в том или ином состоянии). Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической: мгновенно перестает сосуществовать сразу во многих состояниях в пользу одного из них.

У такого подхода всегда были противники (вспомнить хотя бы «Бог не играет в кости» Альберта Эйнштейна), но точность расчетов и предсказаний брала свое. Впрочем, в последнее время сторонников копенгагенской интерпретации становится все меньше и не последняя причина тому - тот самый загадочный мгновенный коллапс волновой функции при измерении. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с бедолагой-котом как раз был призван показать абсурдность этого явления.

Итак, напоминаем содержание эксперимента. В черный ящик помещают живого кота, ампулу с ядом и некий механизм, который может в случайный момент пустить яд в действие. Например, один радиоактивный атом, при распаде которого разобьется ампула. Точное время распада атома неизвестно. Известен лишь период полураспада: время, за которое распад произойдет с вероятностью 50%.

Получается, что для внешнего наблюдателя кот внутри ящика существует сразу в двух состояниях: он либо жив, если все идет нормально, либо мертв, если распад произошел и ампула разбилась. Оба этих состояния описывает волновая функция кота, которая меняется с течением времени: чем дальше, тем больше вероятность, что радиоактивный распад уже случился. Но как только ящик открывается, волновая функция коллапсирует и мы сразу видим исход живодерского эксперимента.

Выходит, пока наблюдатель не откроет ящик, кот так и будет вечно балансировать на границе между жизнью и смертью, а определит его участь только действие наблюдателя. Вот абсурд, на который указывал Шредингер.

Дифракция электронов

По опросу крупнейших физиков, проведенному газетой The New York Times, опыт с дифракцией электронов, поставленный в 1961 году Клаусом Йенсоном, стал одним из красивейших в истории науки. В чем его суть?

Есть источник, излучающий поток электронов в сторону экрана-фотопластинки. И есть преграда на пути этих электронов - медная пластинка с двумя щелями. Какой картины на экране можно ожидать, если представлять электроны просто маленькими заряженными шариками? Двух засвеченных полос напротив щелей.

В действительности на экране появляется гораздо более сложный узор из чередующихся черных и белых полос. Дело в том, что при прохождении через щели электроны начинают вести себя не как частицы, а как волны (подобно тому, как и фотоны, частицы света, одновременно могут быть и волнами). Потом эти волны взаимодействуют в пространстве, где-то ослабляя, а где-то усиливая друг друга, и в результате на экране появляется сложная картина из чередующихся светлых и темных полос.

При этом результат эксперимента не меняется, и если пускать электроны через щель не сплошным потоком, а поодиночке, даже одна частица может быть одновременно и волной. Даже один электрон может одновременно пройти через две щели (и это еще одно из важных положений копенгагенской интерпретации квантовой механики - объекты могут одновременно проявлять и свои «привычные» материальные свойства, и экзотические волновые).

Но при чем здесь наблюдатель? При том, что с ним и без того запутанная история стала еще сложнее. Когда в подобных экспериментах физики попытались зафиксировать с помощью приборов, через какую щель в действительности проходит электрон, картинка на экране резко поменялась и стала «классической»: два засвеченных участка напротив щелей и никаких чередующихся полос.

Электроны будто не захотели проявлять свою волновую природу под пристальным взором наблюдателя. Подстроились под его инстинктивное желание увидеть простую и понятную картинку. Мистика? Есть и куда более простое объяснение: никакое наблюдение за системой нельзя провести без физического воздействия на нее. Но к этому вернемся еще чуть позже.

Нагретый фуллерен

Опыты по дифракции частиц ставили не только на электронах, но и на куда больших объектах. Например, фуллеренах - крупных, замкнутых молекулах, составленных из десятков атомов углерода (так, фуллерен из шестидесяти атомов углерода по форме очень похож на футбольный мяч: полую сферу, сшитую из пяти- и шестиугольников).

Недавно группа из Венского университета во главе с профессором Цайлингером попыталась внести элемент наблюдения в подобные опыты. Для этого они облучали движущиеся молекулы фуллерена лазерным лучом. После, нагретые внешним воздействием, молекулы начинали светиться и тем неминуемо обнаруживали для наблюдателя свое место в пространстве.

Вместе с таким нововведением поменялось и поведение молекул. До начала тотальной слежки фуллерены вполне успешно огибали препятствия (проявляли волновые свойства) подобно электронам из прошлого примера, проходящим сквозь непрозрачный экран. Но позже, с появлением наблюдателя, фуллерены успокоились и стали вести себя как вполне законопослушные частицы материи.

Охлаждающее измерение

Одним из самых известных законов квантового мира является принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно установить положение и скорость квантового объекта. Чем точнее измеряем импульс частицы, тем менее точно можно измерить ее положение. Но действие квантовых законов, работающих на уровне крошечных частиц, обычно незаметно в нашем мире больших макрообъектов.

Потому тем ценнее недавние эксперименты группы профессора Шваба из США, в которых квантовые эффекты продемонстрировали не на уровне тех же электронов или молекул фуллерена (их характерный диаметр - около 1 нм), а на чуть более ощутимом объекте - крошечной алюминиевой полоске.

Эту полоску закрепили с обеих сторон так, чтобы ее середина была в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом с полоской находился прибор, способный с высокой точностью регистрировать ее положение.

В результате экспериментаторы обнаружили два интересных эффекта. Во-первых, любое измерение положения объекта, наблюдение за полоской не проходило для нее бесследно - после каждого измерения положение полоски менялось. Грубо говоря, экспериментаторы с большой точностью определяли координаты полоски и тем самым, по принципу Гейзенберга, меняли ее скорость, а значит и последующее положение.

Во-вторых, что уже совсем неожиданно, некоторые измерения еще и приводили к охлаждению полоски. Получается, наблюдатель может лишь одним своим присутствием менять физические характеристики объектов. Звучит совсем невероятно, но к чести физиков скажем, что они не растерялись - теперь группа профессора Шваба думает, как применить обнаруженный эффект для охлаждения электронных микросхем.

Замирающие частицы

Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются в мире не только ради экспериментов над котами, но и вполне сами по себе. При этом каждая частица характеризуется средним временем жизни, которое, оказывается, может увеличиваться под пристальным взором наблюдателя.

Впервые этот квантовый эффект предсказали еще в 1960-х годах, а его блестящее экспериментальное подтверждение появилось в статье , опубликованной в 2006 году группой нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.

В этой работе изучали распад нестабильных возбужденных атомов рубидия (распадаются на атомы рубидия в основном состоянии и фотоны). Сразу после приготовления системы, возбуждения атомов за ними начинали наблюдать - просвечивать их лазерным пучком. При этом наблюдение велось в двух режимах: непрерывном (в систему постоянно подаются небольшие световые импульсы) и импульсном (система время от времени облучается импульсами более мощными).

Полученные результаты отлично совпали с теоретическими предсказаниями. Внешние световые воздействия действительно замедляют распад частиц, как бы возвращают их в исходное, далекое от распада состояние. При этом величина эффекта для двух исследованных режимов также совпадает с предсказаниями. А максимально жизнь нестабильных возбужденных атомов рубидия удалось продлить в 30 раз.

Квантовая механика и сознание

Электроны и фуллерены перестают проявлять свои волновые свойства, алюминиевые пластинки охлаждаются, а нестабильные частицы замирают в своем распаде: под всесильным взором наблюдателя мир меняется. Чем не свидетельство вовлеченности нашего разума в работу мира вокруг? Так может быть правы были Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийcкий физик, лауреат Нобелевской премии, один из пионеров квантовой механики), когда говорили, что законы физики и сознания должны рассматриваться как взаимодополняющие?

Но так остается только один шаг до дежурного признания: весь мир вокруг суть нашего разума. Жутковато? («Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на нее смотрите?» - комментировал Эйнштейн принципы квантовой механики). Тогда попробуем вновь обратиться к физикам. Тем более, в последние годы они все меньше жалуют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики с ее загадочным коллапсом волной функции, на смену которому приходит другой, вполне приземленный и надежный термин - декогеренция.

Дело вот в чем - во всех описанных опытах с наблюдением экспериментаторы неминуемо воздействовали на систему. Подсвечивали ее лазером, устанавливали измеряющие приборы. И это общий, очень важный принцип: нельзя пронаблюдать за системой, измерить ее свойства не провзаимодействовав с ней. А где взаимодействие, там и изменение свойств. Тем более, когда с крошечной квантовой системой взаимодействуют махины квантовых объектов. Так что вечный, буддистский нейтралитет наблюдателя невозможен.

Как раз это объясняет термин «декогеренция» - необратимый с точки зрения процесс нарушения квантовых свойств системы при ее взаимодействии с другой, крупной системой. Во время такого взаимодействия квантовая система утрачивает свои изначальные черты и становится классической, «подчиняется» системе крупной. Этим и объясняется парадокс с котом Шредингера: кот представляет собой настолько большую систему, что его просто нельзя изолировать от мира. Сама постановка мысленного эксперимента не совсем корректна.

В любом случае, по сравнению с реальностью как актом творения сознания, декогеренция звучит куда более спокойно. Даже, может быть, слишком спокойно. Ведь с таким подходом весь классический мир становится одним большим эффектом декогеренции. А как утверждают авторы одной из самых серьезных книг в этой области, из таких подходов еще и логично вытекают утверждения вроде «в мире не существует никаких частиц» или «не существует никакого времени на фундаментальном уровне».

Созидающий наблюдатель или всесильная декогеренция? Приходится выбирать из двух зол. Но помните - сейчас ученые все больше убеждаются, что в основе наших мыслительных процессов лежат те самые пресловутые квантовые эффекты. Так что где заканчивается наблюдение и начинается реальность - выбирать приходится каждому из нас.